ЗАВИСИМОСТЬ МИКРОТВЕРДОСТИ СПЛАВА AL-CE-H, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ КАТОДНОГО ВНЕДРЕНИЯ ВОДОРОДА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793

Э.Т. Сефералиев, А.Р. Давыдова, Е.В. Барабанова, И.Ю. Гоц, В.О. Лукьянова, С.Н. Барабанов

ЗАВИСИМОСТЬ МИКРОТВЕРДОСТИ СПЛАВА AL-CE-H, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ КАТОДНОГО ВНЕДРЕНИЯ ВОДОРОДА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Аннотация. Проведены исследования микротвердости сплава Al-Ce-H. Внедрение водорода в матрицу алюминия было произведено при температурах: -20° С, 0° С, 20° С, 50° С. Выявлена зависимость плотности от глубины вдавливания индентора при нагрузках: 0,196 Н, 0,294 Н, 0,392 Н, 0,49 Н соответственно. В ходе исследования было установлено, что показатели плотности поверхности сплава, полученного при температурах: 50° С, 20° С, 0° С, растут, а при -20° С показатели плотности падают.

Ключевые слова: микротвердость, алюминиевый сплав, катодное внедрение, глубина вдавливания, плотность

E.T. Seferaliev, A.R. Davydova, E.V. Barabanova, I.Yu. Gots, V.O. Lukyanova, S.N. Barabanov

DEPENDENCE OF MICROHARDNESS OF THE AL-CE-H ALLOY

OBTAINED BY THE METHOD OF CATHODIC HYDROGEN SATURATION UNDER VARIOUS TEMPERATURE CONDITIONS

Abstract. Microhardness studies have been carried out for the Al-Ce-H alloy. Hydrogen saturation into the aluminum matrix was made at the temperatures -20° C, 0° C, 20° C, and 50° C. Dependence of density on the depth of indentation of the indenter at the loads of 0,196N, 0,294N, 0,392N, and 0,49N, respectively, was revealed. In the course of the study it was found that the density of the surface of the alloy obtained at the temperatures of 50° C, 20° C, and 0° C grow, whereas at -20° C the density indicators fall.

Keywords: micro-hardness, aluminum alloy, cathodic incorporation, indentation depth, density

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач, успешное решение которой во многом будет способствовать дальнейшему прогрессу водородной энергетики, является организация технически и экономически эффективного хранения водорода.

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием.

Технология твердофазного хранения водорода основана на свойстве некоторых металлов и их сплавов обратимо поглощать водород. Актуальность проблемы создания эффективных систем обратимого твердофазного хранения водорода определяется ростом потребления высокочистого водорода в различных высокотехнологичных производствах и широким перспективным распространением энергоустановок на базе топливных элементов. В последние годы интерес к металлогидридным технологиям возрос, увеличилось число публикаций, относящихся к разработкам как новых водородопоглощающих материалов, так и металлогидридных устройств. Среди всех видов энергоресурсов неоспоримым преимуществом обладают возобновляемые источники энергии. Например, показана эффективность использования возобновляемых источников энергообеспечения различного типа на основе гидридов алюминия.

Свойство избирательного поглощения водорода твердофазными аккумулирующими материалами обеспечивает высокую степень чистоты выделяемого водорода, даже если при зарядке использовался водород, содержащий примеси.

Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов ставят на первый план проблемы разработки экономически и технически эффективных и безопасных систем хранения водорода.

Именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время [1-4].

Цель работы заключалась в исследовании зависимости плотности поверхностного слоя сплава Al-Ce-Н, в котором водород был внедрен при температурах: -20° С, 0° С, 20° С, 50° С, от глубины вдавливания при нагрузках 0,196 Н, 0,294 Н, 0,392 Н, 0,49 Н соответственно.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве образцов был взят алюминиевый сплав Al-Ce. Внедрение водорода (H) осуществлялось при помощи потенциостата P-20Х в течение одного часа при потенциале -1,6 В относительно хлорсеребряного электрода при температурах -20° С, -10° С, 0° С, 10-50° С в водно-органическом электролите, в состав которого входят диметилформа-мид и вода в соотношении 3:7. Температура поддерживалась с помощью термостата ВТ8-2 фирмы Termex (Россия) с точностью ±0,1°.

При помощи прибора ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76) методом статистического вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под нагрузкой ин-

дентора (0,196 Н, 0,294 Н, 0,392 Н , 0,49 Н) измерялась микротвердость сплава. По результатам испытания определяли величину диагонали восстановленного отпечатка и рассчитывали число твердости по формуле

HV = 0,189*P/C2

(1)

где Р - масса груза, г; С2 - длина диагонали, мм (ГОСТ 9.450-76). Число параллельных опытов - 4 [2].

Для исследования были взяты образцы:

1 - чистый металл;

2 - образцы, подвергшиеся внедрению Н

Ниже на рис. 1 и 2 представлены графики изменения микротвердости сплава Al-Ce-H.

Рис. 1. Зависимость микротвердости сплава Al-Ce от температуры, при которой был внедрен водород при нагрузках 0,49 Н и 0,392 Н: ряд 1 - зависимость микротвердости сплава при нагрузке 0,49 Н, ряд 2 - зависимость микротвердости сплава при нагрузке 0,392 Н

Исследование показало, что при внедрении водорода (Н) в алюминиевый сплав микротвердость при нагрузках 0,49 H и 0,392 Н уменьшается в 1,5 и 1,4 раза соответственно.

Из графика на рис. 2 видно, что микротвердость алюминиевого сплава уменьшается в 1,4 и 1,3 раза при нагрузках 0,294 Н и 0,196 Н соответственно.

Нагрузки: 0,196 Н, 0,294 Н, 0,392 Н, 0,49 Н были выбраны для определения глубины вдавливания ^ пользуясь формулой (2), при помощи которой возможно определение плотности поверхности:

h =

d

(2)

0,1428

где h - глубина отпечатка, d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей квадратного отпечатка.

Рис. 2. Зависимость микротвердости сплава Al-Ce от температуры при внедрении водорода (Н), при нагрузках 0,49 Н и 0,392 Н: ряд 1 - зависимость микротвердости сплава при нагрузке 0,294 Н, ряд 2 - зависимость микротвердости сплава при нагрузке 0,196 Н

Плотность поверхности определяется формулой (3)

HV /-ЗЧ

р = т , (3)

где h - глубина отпечатка, HV - число микротвердости по Виккерсу.

Результаты исследования влияния глубины вдавливания на плотность поверхности алюминиевого сплава Al-Ce-H, полученного при температурах 50° С и 20° С, приведены в табл. 1, 2 и на рис. 3.

Таблица 1

Al-Ce-H (50° С)

Нагрузка, Н ¿ср h НУСр Р

0,49 66,1 9,2 20,9 1,1

0,392 58,7 7,9 23,4 2,9

0,294 52,4 6,4 26,7 4,3

0,196 31,1 4,8 29,8 6,2

Таблица 2

А1-Се-Н (20° С )

Нагрузка, Н ¿ср Ь НУСр Р

0,49 57,45 9,54 25,4 2,8

0,392 46,4 7,3 27,6 3,8

0,294 47 6,4 29,4 4,9

0,196 32,2 4,47 30,8 6,6

4 5 6 7

Глубина вдавливания Ь, мкм

Рис. 3. Графики зависимости плотности от глубины вдавливания индентора: ряд 1 - сплав Al-Ce-H, полученный при температуре 50° С, ряд 2 - сплав Al-Ce-H, полученный при температуре 20° С

Используя данные из графика на рис. 3, можно сделать следующий вывод.

Плотность сплава, полученного при температурах 50° С и 20° С, уменьшилась в 5,1 и в 2,3 раза соответственно.

Результаты исследования влияния глубины вдавливания на плотность поверхности алюминиевого сплава А1-Се-Н, полученного при температурах 0° С, -20° С, приведены в табл. 3, 4 и на рис. 4.

Таблица 3

А1-Се-Н (0° С)

Нагрузка, Н Нагрузка, Н Нагрузка, Н Нагрузка, Н Нагрузка, Н

0,49 0,49 0,49 0,49 0,49

0,392 0,392 0,392 0,392 0,392

0,294 0,294 0,294 0,294 0,294

0,196 0,196 0,196 0,196 0,196

Таблица 4

Al-Ce-H (-20° С )

Нагрузка, Н ¿ср h HV^ Р

0,49 60,9 10,2 31,4 3

0,392 57,8 9,6 33,6 3,5

0,294 55,2 7,1 37,1 4,8

0,196 46,2 6,28 40,2 6,4

8

O J-

4 5 6 7

Глубина вдавливания h, мкм

Рис. 4. Графики зависимости плотности от глубины вдавливания индентора: ряд 1 - сплав Al-Ce-H, полученный при температуре 0° С, ряд 2 - сплав Al-Ce-H, полученный при температуре -20° С

Используя данные из графика на рис. 4, можно сделать следующий вывод. Плотность сплава, полученного при температурах 0° С и -20° С, уменьшилась в 2,1 и в 1,3 раза соответственно.

Пористость алюминиевого сплава представлена в табл. 5 и на рис. 5 и выражена в виде зависимости на рис. 6.

Таблица 5

Температура, °С Пористость,%

50 53

20 55

0 57

-20 61

3 4

Рис. 5. Алюминиевый сплав А1-Се-Н, полученный: 1 - при температуре 50° С, 2 - при температуре 20° С.

Пористость составляет 53 и 55 % соответственно 3 - при температуре 0° С, 4 - при температуре -20° С. Пористость составляет 57 и 61 % соответственно

Рис. 6. График зависимости пористости алюминиевого сплава от температуры

ВЫВОД

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы: увеличение температуры внедрения водорода привело к уменьшению микротвердости сплава в 1,7 раза, что свидетельствует о разрыхлении ее поверхностного слоя и снижении износостойкости.

Вычислив глубину вдавливания индентора при различных нагрузках, выяснили следующее: плотность сплава уменьшилась в 2,7 раза, пористость уменьшилась в 1,15 раза, что приводит к повышению физико-механических свойств, увеличению коррозионной стойкости.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 20-33-90150.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Материалы для хранения водорода: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа, М.А. Тихоновский, А.Г. Шепелев, Ю.П. Курило, Т.А. Пономаренко, Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. 2006. № 1. С. 145-152.

2. Проблемы применения водорода в энергетике / Ю.Н. Шалимов, В.И. Кудряш, А.Л. Гусев и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 3. С. 61-74.

3. Тарасов Б.П. Металлогидридные системы обратимого хранения водорода // Безопасность и экономика водородного транспорта (IFSSEHT-2003): сб. тез. второго Международного симпозиума // Альтернативная энергетика и экология. 2003. Спецвып. С. 38-39.

4. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Российский химический журнал. 2006. Т. L. № 6. С. 34-48.

5. ГОСТ 6507-1. 2007 (Национальный стандарт Российской Федерации). Измерение твердости по Виккерсу. М.: Стандартинформ, 2008.

6. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 224 с.

7. Петрий О.А., Левин Э.Е. Водородаккумулирующие материалы в электрохимических системах // Российский химический журнал. 2006. Т. L. № 6. С. 115-119.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Сефералиев Эмир Талибович -

студент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Давыдова Анастасия Руслановна -

студент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Барабанова Елена Витальевна -

студент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Барабанов Сергей Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Гоц Ирина Юрьевна -

кандидат химических наук, доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Emir T. Seferaliyev -

Undergraduate, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Anastasia R. Davydova -

Undergraduate, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Elena V. Barabanova -Undergraduate, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Sergey N. Barabanov -PhD (Technical), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Irina Yu. Gots -

PhD (Chemistry), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Лукьянова Виктория Олеговна -

аспирант кафедры «Химия и химическая технология материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Victoria O. Lukyanova -

Postgraduate, Department of Chemistry and Chemical Technology of Materials, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.11.21, принята к опубликованию 06.12.21